Cellules Solaires à base de Matériaux Pérovskites

L’approvisionnement en énergie est l’un des défis les plus importants à relever pour l’humanité au XXIe siècle. La demande énergétique mondiale ne cesse d’augmenter en raison de la croissance économique et démographique. Pour répondre à ces besoins, la demande pour tous les combustibles est en perpétuelle croissance ; les combustibles fossiles représentant encore près de 70% de la consommation énergétique mondiale. Il en résulte une augmentation des émissions mondiales de CO2 ainsi que l’épuisement des énergies fossiles.

Afin de diminuer l’impact de la demande croissante en énergie sur l’augmentation des émissions de carbone, les énergies renouvelables suscitent un intérêt croissant, notamment pour la production d’électricité. Elles comprennent principalement l’hydroélectricité, l’énergie éolienne, l’énergie solaire, géothermique et les énergies combustibles renouvelables.

En 2018, la production d’énergie solaire a connu une croissance très rapide, et devrait encore s’accroitre durant les années à venir. Convertir l’énergie solaire en électricité est un moyen propre et durable pour résoudre les problèmes de crise énergétique et de réchauffement de la planète. Parmi les technologies photovoltaïques émergentes et prometteuses figurent les cellules solaires à base de matériaux de type Pérovskite hybrides. Ces dernières ont connu une augmentation considérable de leurs rendements en seulement 10 ans de recherche. Ces matériaux présentent des atouts majeurs pour le photovoltaïque tels qu’une absorption optique élevée et une grande longueur de diffusion des porteurs de charge. Le matériau Pérovskite de référence de formule CH3NH3PbI3 a été le plus étudié durant les dernières années et est connu sous le nom de MAPI.

Pour pouvoir rivaliser avec la technologie silicium, les cellules solaires à base de Pérovskite doivent fournir une combinaison souhaitable de rendement élevé, de coûts de fabrication faibles et d’excellente stabilité. Par conséquent, une meilleure compréhension de l’influence de la structure chimique du matériau sur le fonctionnement des dispositifs et leur dégradation demeure indispensable à l’identification de nouveaux composés qui permettront à termes de lever les verrous technologiques actuels. Dans ce but, les travaux de recherche se sont concentrés durant les cinq dernières années sur les mécanismes de dégradation des Pérovskites vis-à-vis de l’air, la température et la lumière ainsi que sur les différentes voies d’amélioration de la stabilité intrinsèque et extrinsèque de ces dispositifs. C’est dans ce cadre que s’inscrit ce travail de thèse ayant pour but l’étude de la structure de la pérovskite hybride de référence MAPI afin d’améliorer le rendement ainsi que la stabilité des dispositifs d’architecture dite N-I-P (structure verre /ITO / Couche N / Pérovskite / Couche P / Electrode d’or), en passant par l’étude du vieillissement du matériau vis-à-vis de la dégradation sous illumination. Du point de vue fondamental, on s’intéressera dans un premier temps aux relations structure / propriétés de la MAPI dans le but de comprendre l’influence de la structure de la pérovskite sur le fonctionnement des dispositifs. Ensuite, le vieillissement de la MAPI est étudié afin d’établir une corrélation entre la dégradation du matériau absorbeur et celle du dispositif complet. Finalement, de nouveaux matériaux plus prometteurs en termes de rendement et de stabilité seront intégrés au sein des dispositifs afin d’évaluer leurs performances et stabilités.

Récolter l’énergie solaire, énergie propre et presque inépuisable, est une approche prometteuse pour résoudre le problème énergétique de l’Homme dans le monde. L’effet photovoltaïque (PV), découvert en 1839 par le physicien Alexandre Edmond Becquerel, permet de convertir l’énergie du rayonnement solaire en électricité. En 1954, le premier dispositif photovoltaïque à 5 % de rendement, a été présenté au Laboratoire Bell, en utilisant du silicium cristallin [1], annonçant ainsi l’émergence de l’électricité photovoltaïque. De nos jours, l’énergie solaire fournit une petite fraction de l’énergie électrique totale générée. A titre d’exemple, la consommation d’électricité d’origine photovoltaïque en 2017 a représenté environ 2 % de la consommation d’électricité totale en France [source : www.edf.fr]. Toutefois, la part de l’énergie solaire est en train de croitre considérablement ces dernières années.

Après plusieurs décennies de progrès, la technologie du silicium cristallin domine toujours le marché photovoltaïque mondial, avec respectivement 55 % et 36 % des parts de marché des modules de silicium polycristallin et monocristallin [2][3]. Les 9% qui restent sont répartis entre une variété d’autres technologies photovoltaïques, telles que les couches minces polycristallines, les semi-conducteurs amorphes, les cellules solaires à colorant (DSSC), le photovoltaïque organique, etc.

Il existe aujourd’hui trois générations principales pour les technologies photovoltaïques. Les matériaux absorbeurs de ces cellules solaires peuvent être des semi-conducteurs inorganiques, organiques ou hybrides. La première filière réunit les technologies photovoltaïques de 1ère génération et comprend des cellules à base de silicium monocristallin ou de germanium, généralement dopés au phosphore ou au bore. Le rendement maximal de ces cellules largement commercialisées est limité par le rendement limite théorique. En effet, la quantité moyenne de rayonnement solaire qui atteint la Terre représente 51% de l’énergie totale entrante, calculé théoriquement par Shockley et Queisser (SQ). Toutefois, toute la lumière qui atteint une cellule solaire ne peut pas être utilisée pour produire de l’électricité. Une cellule solaire à base de silicium, peut convertir 33% de ces 51% de rayonnement en électricité [5]. De manière générale, la capacité d’induire un courant électrique dans une cellule solaire dépend de la longueur d’onde de la lumière solaire et du band-gap du matériau semi-conducteur.

La deuxième filière, dite deuxième génération, regroupe les systèmes photovoltaïques à couche mince. Dans cette filière, on retrouve les cellules au silicium amorphe hydrogéné, au tellurure de cadmium (CdTe), au (di) séléniure de cuivre indium gallium (CIGS) et au sulfure de cuivre et d’étain-zinc (CZTS).

Les technologies PV de troisième génération comprennent les cellules solaires à colorant (DSSC), les photovoltaïques organiques (OPV), les quantum dots et les Pérovskites. Ces nouvelles technologies doivent combinées plusieurs propriétés notamment des rendements élevés, une bonne stabilité et un faible coût de fabrication afin de pouvoir rivaliser avec la technologie silicium. Pour ces raisons, les recherches se sont focalisées durant ces dernières années sur les cellules solaires à base de matériaux Pérovskites hybrides, grâce à l’augmentation spectaculaire des rendements mesurés .

Table des matières

Introduction
Chapitre I. Etat de l’art
1.1 Contexte général
1.1.1 Introduction générale sur le photovoltaïque
1.1.2 Les différentes technologies photovoltaïques
1.2 Cellules solaires à base de matériaux Pérovskites hybrides halogénées
1.2.1 Structure cristalline des Pérovskites
1.2.2 Présentation des différentes structures des cellules solaires Pérovskites
1.2.3 Précurseurs et techniques de dépôt
1.3 Stabilité des cellules solaires Pérovskites
1.3.1 Dégradation des Pérovskites vis-à-vis de l’air et de la température
1.3.2 Dégradation des cellules à base de Pérovskite sous illumination
1.3.3 Systèmes les plus stables
Chapitre II. Matériel et Méthodes
2.1 Dispositif photovoltaïque à base de Pérovskite
2.1.1 Architecture N-I-P
2.1.2 Réalisation des cellules : Matériaux et procédé de préparation
2.1.3 Synthèse de la poudre MAPI
2.2 Conditions de vieillissement
2.3 Méthodes de caractérisations
2.3.1 Caractérisation électrique des cellules : mesures J(V)
2.3.2 Caractérisations structurales : La diffraction des rayons X (DRX)
2.3.3 Caractérisations structurales : Etude de la morphologie
2.3.4 Caractérisation optique
2.3.5 Caractérisations chimiques par XPS et ToF-SIMS
Chapitre III. Systèmes de référence et étude préliminaire de stabilité
3.1 Etude des systèmes de référence à t0
3.1.1 Présentation des deux systèmes de référence
3.1.2 Impact de la couche N sur la structure et la cristallisation de la MAPI
3.1.3 Performances électriques initiales des systèmes de référence
3.2 Stabilité des systèmes de référence
3.2.1 Effet du stockage et des mesures électriques sur la stabilité des cellules
3.2.2 Stabilité des systèmes de référence sous illumination
Conclusion

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